WO2019215137A1 - Vorrichtung zum bereitstellen eines ladestromes für zumindest eine batterie und verfahren zum betreiben derselben - Google Patents

Vorrichtung zum bereitstellen eines ladestromes für zumindest eine batterie und verfahren zum betreiben derselben Download PDF

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WO2019215137A1
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Taleb Janbein
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a device for providing a
  • Electric vehicle battery and a method of operating the same.
  • Electric vehicles can be charged at the same time or charge their batteries at the quick charging stations, resulting in high levels at these local locations
  • the public power grid is far from optimally designed today. That's why energy utilities are increasingly focusing on electricity production, electricity consumption; Power distribution and energy storage and strive for a temporal decoupling, so that, for example, solar power can also be used at night.
  • AC / DC converters such as from the
  • the present invention provides an apparatus for providing a
  • An electric vehicle battery and the method of operating the same according to the present invention make it possible to inexpensively and efficiently provide charging of a charging current, also called a target current.
  • a charging current also called a target current.
  • a power station with charging station can be provided as inexpensively as possible.
  • the idea underlying the present invention is to determine the charging current or nominal current of at least one battery individually by means of a converter device and control unit so that, in particular, a plurality of batteries can be charged efficiently at the same time.
  • a further increase in efficiency is further achieved in that the converter device can be put into operation efficiently by means of the control unit.
  • the idea according to the invention is suitable both for simultaneous charging and for serial charging, additional switching measures being provided for the simultaneous charging by means of the switching devices.
  • Charging by means of the device according to the invention can take place independently of the time of day, since there is no effect on the load on the public power grid, for example charging during parking, at night, when shopping, working, etc.
  • the required electronics in the power supply station can be much smaller be designed and thus more cost-effective.
  • Charging the at least one battery - for example, an electric vehicle battery - is possible in particular depending on the network utilization.
  • Charging parameters of at least one battery detectable and depending on the detected charging parameters is the charging current from the converter device
  • charge parameters individually determinable for the at least one battery.
  • charge parameters individually determinable for the at least one battery.
  • charge parameters a desired charge current and actual charge current or setpoint voltage and actual voltage of the at least one battery or the respective one.
  • the charging current is less than or equal to an optimum maximum current of the converter device, or is less than or equal to an optimum operating current of the converter device, or is less than or equal to 0flit
  • x [1, ...., n], where n: number of connected batteries, li_ ade-max : detected maximum permissible charging current measured by the control unit, and then :
  • control unit in particular communicates both with the converter device and with the at least one battery in order to determine a maximum charging current for the at least one battery.
  • control unit can in particular communicate with a battery management system or a battery control unit of the at least one battery.
  • a communication between the converter device and the control unit can be carried out wirelessly or wirelessly.
  • a communication between the control unit and the at least one battery can be carried out wirelessly or wirelessly.
  • wireless communication are in particular LAN communication, for example CAN, as well as W-LAN
  • the converter device is on the output side with the first connection and in the second connection and
  • Power supply network can be both an AC voltage network and a DC voltage network, in the case of an AC voltage network, a transformer means for rectifying the charging current may be required.
  • the converter device supplies DC voltage on the output side.
  • the converter device may be, for example, an AC / DC converter, DC / DC converter, or a combination of a plurality of transducers, for example a charger. If the converter device is in the form of the DC / DC converter, a supply of the DC / DC converter can be effected both by an AC / DC stage and by DC voltage sources, for example battery, fuel cell, PV system etc., as well as by a DC voltage network respectively.
  • capacitors may be arranged before or after the switching device of the at least one two-pole charging connection. This allows efficient charging of the at least one battery.
  • the diodes described here can in particular be replaced by an electronic switch, for example an insulated gate bipolar transistor, metal oxide semiconductor field effect transistor, etc., in particular when the at least one battery is fed back in the direction of the converter device or into the energy supply network.
  • the diodes can be integrated in a vehicle or, alternatively, existing diodes in the vehicle, such as inverter diodes, can be used.
  • the diodes in the power supply device can be easily replaced.
  • the switching devices and / or diodes can be integrated in a charging station or be installed centrally and can be interconnected by a corresponding wiring with the at least one two-pole charging port.
  • the control unit can be integrated in the converter device. This increases the compactness.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a device for
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a device for
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a device for
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a device for providing a charging current for at least one battery according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart for explaining a method of operating the device according to embodiments of the present invention.
  • FIG. Fig. 6 is a diagram for explaining exemplary
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a device for providing a charging current for at least one battery according to a first embodiment of the present invention.
  • reference numeral 20 denotes a converter means of the apparatus 100 which includes a first terminal E1 and a second terminal E2.
  • Converter device 20 can be connectable to a power supply network V, which optionally includes an energy management system. On the output side, the converter device 20 can be connectable to the first connection E1 and the second connection E2 or, on the output side, the first connection E1 and the second connection E2 can be arranged on the converter device 20.
  • the device 100 further comprises a power supply device EV, which comprises a control unit 30 and at least one two-pole charging connection Ln with a first charging connection 1 and a second charging connection 2, wherein the
  • the first and / or second switching device S1, S2 may for example be a charging contactors.
  • a function may be based on the first switching device S1 or the second switching device S2. That is, there is either the first switching device S1 or the second switching device S2, wherein alternatively, both switching devices S1, S2 can be installed.
  • control unit 30 of the power supply device EV is a state of charge of the at least one battery Bn detectable and the charging current from the
  • Converter means 20 at the first terminal E1 and the second terminal E2 for the at least one battery Bn can each be determined based on the detected state of charge of the at least one battery Bn and the first switching device S1 and / or the second switching device S2 of the at least one bipolar
  • Charging port Ln for charging the at least one battery Bn are each driven by the control unit 30.
  • charging parameters of the at least one battery Bn can be detected by the control unit 30, and depending on the detected charging parameters, this is
  • Charging current from the converter device 20 individually determinable for the at least one battery Bn In this case, in particular a maximum current of the converter device 20 can be taken into account when determining the charging current by the control unit 30.
  • Charging parameters may in particular be understood to be a desired charging current and actual charging current or nominal voltage and actual voltage of the at least one battery or the respective battery, wherein a balancing of the nominal or short-circuit voltage. Actual values have been made by the control unit. This means that the control unit 30 in particular with both the converter device 20 and the at least one battery Bn and optionally additionally with the energy management system of the
  • Power supply network V can communicate to determine a maximum charging current for the at least one battery. That is, the control unit 30 communicates with both the converter device 20 and the at least one battery Bn, in particular to determine a maximum charging current for the at least one battery Bn.
  • the communication between the control unit 30 and the converter device 20 can be wireless or wireless. Also conceivable is wireless or wireless communication between the control unit 30 and the at least one battery Bn.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a device for providing a charging current for at least one battery according to a second embodiment of the present invention.
  • the second embodiment is based on the first embodiment according to FIG. 1 with the difference that a diode Dn is arranged in front of the first switching device S1, for example a charging contactor, of the at least one two-pole charging connection Ln.
  • the diode Dn may be, for example, a spear diode.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a device for providing a charging current for at least one battery according to a third embodiment of the present invention.
  • the third embodiment is based on the first embodiment according to FIG. 1 with the difference that after the first switching device S1, for example a charging contactor, of the at least one two-pole charging connection Ln, a diode Dn is arranged. That is, in the third embodiment, the diode Dn is disposed between the switch means S1 and the first charging terminal 1 of the respective two-pole charging terminal L1, L2, and Ln, respectively.
  • the diode Dn may be, for example, a spear diode.
  • 4 is a schematic diagram for explaining a device for providing a charging current for at least one battery according to a fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment, the power supply device is with
  • Reference symbol EV ' denotes.
  • the control unit 30 is integrated in the converter device 20. Furthermore, it is conceivable that the
  • Power supply device EV in the converter device 20 can be integrated (not shown).
  • FIG. 5 is a flow chart for explaining a method of operating the device according to the embodiments of the present invention explained herein
  • the method 300 for operating the device 100 includes steps 310, 320, 330, and 340.
  • step 310 of the method 300 the charge state of the at least one electrically connected battery Bn is detected by the control unit 30.
  • step 320 of the method 300 the charging current is determined by the control unit 30 as a function of the detected state of charge.
  • control unit 30 selects the first
  • Switching device S1 and / or the second switch device S2 controlled as a function of the detected state of charge of the at least one battery Bn and in step 340, the at least one battery Bn is charged with the respectively determined charging currents.
  • steps 320 and 330 of method 300 may be repetitively performed, one of which is shown here
  • control unit 30 communicates with the converter device 20 as well as with the determined state of charge of the at least one battery Bn.
  • FIG. 6 is a graph illustrating exemplary voltage and current waveforms of, for example, three batteries during a charging process.
  • charge steps 0 to 10 are shown on the X-axis, and the current in amperes or the voltage in volts on the Y-axis
  • the converter device is designed for a maximum current l_Wandler_max of 70 A, with three batteries, in particular three
  • Electric vehicle batteries are provided for charging by the device described herein.
  • the first battery has a voltage U1 of 60 V and a maximum current I1_max of 21 A.
  • the second battery has a voltage U2 of 80V and a maximum current I2_max of 23A.
  • the third battery has a voltage U3 of 100V and a maximum current I3_max of 31A.
  • Charging port is closed with respect to the first battery, since it has the lowest voltage at 60V. During the charging steps 1 to 2 the increases
  • the first battery is charged at 20 A while the voltage U1 rises from 60 V to just before 80 V - voltage U2 of the second battery. Subsequently, the switching devices of the second bipolar
  • Charging port closed with respect to the second battery it is checked by means of the control unit whether the current current l_Wandler of the converter device - here 20 A - is greater or smaller than the maximum current I2_max of the second battery - in this case 23 A -.
  • the charging current l_Wandler remains regulated at approximately 20 A, since the maximum current I2_max of the second battery is less than the maximum current l_Wandler_max of the converter device, which is 70 A.
  • the voltage LH of the first battery continues to increase until both battery voltages LH, U2 are equal.
  • the first and second batteries are charged in parallel.
  • the current l_Wandler the converter device is still about 20 A. That is, the charging currents 11, 12 of the first and second battery are well below the maximum current value l_Wandler_max.
  • the current l_Wandler of the converter device is further increased slowly and linearly until at least one battery, for example the first battery, has reached its maximum current value I1_max.
  • the first and second batteries continue to be charged in parallel to about 99V. That is, until shortly reaching the next battery voltage U3 of the third battery.
  • the current l_Wandler of the converter device is regulated to the maximum current I3_max of the third battery up to approximately 30 A or
  • the current l_Wandler of the converter device is in this case about 30 A. That is, the charging currents 11, I2, I3 of the three batteries are well below the maximum current value l_Wandler_max.
  • the current l_Wandler of the converter device is further increased slowly and linearly until at least one battery, for example the third battery, has reached its maximum current value I3_max.
  • the device described here can be combined with all converter circuit concepts.
  • the power supply device described here can be provided on a stationary charging station or in the form of a mobile adapter.

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Ladestromes für zumindest eine Batterie und ein Verfahren zum Betreiben derselben. Die Vorrichtung (100) ist ausgestattet mit einer Wandlereinrichtung (20), die einen ersten Anschluss (E1) und einen zweiten Anschluss (E2) umfasst. Die Vorrichtung (100) umfasst ferner eine Energieversorgungseinrichtung (EV, EV'), die eine Steuereinheit (30) und zumindest einen zweipoligen Ladeanschluss (Ln; L1, L2) mit einem ersten Ladeanschluss (1) und einem zweiten Ladeanschluss (2) umfasst, wobei die Energieversorgungseinrichtung (EV; EV') an die Wandlereinrichtung (20) mittels des ersten Anschlusses (E1) über eine erste Schalteinrichtung (S1) mit dem ersten Ladeanschluss (1) und/oder mittels des zweiten Anschlusses (E2) über eine zweite Schalteinrichtung (S2) mit dem zweiten Ladeanschluss (2) des zumindest einen zweipoligen Ladeanschlusses (Ln; L1, L2) elektrisch anschließbar ist, und wobei durch die Steuereinheit (30) ein Ladezustand der zumindest einen Batterie (Bn; B1, B2) erfassbar ist und der Ladestrom aus der Wandlereinrichtung (20) an dem ersten Anschluss (E1) und dem zweiten Anschluss (E2) für die zumindest eine Batterie (Bn; B1, B2) basierend auf dem erfassten Ladezustand der zumindest einen Batterie (Bn; B1, B2) bestimmbar ist; und die erste Schalteinrichtung (S1) und/oder die zweite Schalteinrichtung (S2) des zumindest einen zweipoligen Ladeanschlusses (Ln; L1, L2) zum Laden der zumindest einen Batterie (Bn; B1, B2) durch die Steuereinheit (30) ansteuerbar sind.

Description

Vorrichtung zum Bereitstellen eines Ladestromes für zumindest eine Batterie und
Verfahren zum Betreiben derselben
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines
Ladestromes für zumindest eine Batterie, insbesondere für eine
Elektrokraftfahrzeugbatterie, und ein Verfahren zum Betreiben derselben.
Stand der Technik
Damit sich Elektrokraftfahrzeuge vom reinen Stadtfahrzeug hin zum Fahrzeug für alle Strecken entwickeln und damit auch vom Zweitfahrzeug zum Erstfahrzeug entwickeln können, ist eine verlässliche und moderne Lade- Infrastruktur erforderlich. Je mehr Elektrokraftfahrzeuge im Verkehr sind, desto mehr Strom wird benötigt, um die Batterien aller dieser Elektrokraftfahrzeuge zu laden. Ein rentabler Betrieb von Ladesäulen kann in den nächsten Jahren nur im städtischen Bereich erfolgen. In ländlichen Regionen werden sowohl der Netzausbau noch nicht so schnell erfolgen als auch die Auslastung der Ladestationen nicht so hoch sein.
Nur mit hohen Investitionen und intelligenter Technik können die Stromnetze derart verstärkt werden, dass die benötigte Leistung zur Verfügung steht, um an den öffentlichen Ladesäulen die Elektrokraftfahrzeuge zu laden. Wenn viele
Elektrokraftfahrzeuge gleichzeitig geladen werden oder an den Schnellladestationen ihre Batterien aufladen, entstehen an diesen lokalen Standorten hohe
Spitzenbelastungen. Zudem ist die über den Tag verteilte Netzauslastung
unterschiedlich. Diesbezüglich ist das öffentliche Stromnetz heute bei Weitem noch nicht optimal ausgelegt. Deshalb befassen sich die Energieversorgungsunternehmen verstärkt mit den Themen Stromproduktion, Stromverbrauch; Stromverteilung und Energiespeicherung und streben eine zeitliche Entkopplung an, sodass sich beispielsweise Solarstrom auch nachts nutzen lässt.
Heutige Schnellladestationen bedienen sich typischerweise
Wechselspannungs/Gleichspannungswandlern, wie beispielsweise aus der
WO 2012/038222 A2 bekannt. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines
Ladestroms für zumindest eine Batterie, insbesondere für eine
Elektrokraftfahrzeugbatterie nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben derselben nach Anspruch 10.
Vorteile der Erfindung Die Vorrichtung zum Laden zumindest einer Batterie bzw. einer
Elektrokraftfahrzeugbatterie und das Verfahren zum Betreiben derselben gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen es, kostengünstig und effizient ein Laden bzw. Einspeisen eines Ladestroms, auch Sollstrom genannt, bereitzustellen. Somit kann eine Energieversorgungsstation mit Ladesäule so kostengünstig wie möglich bereitgestellt werden.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, mittels einer Wandlereinrichtung und Steuereinheit den Ladestrom bzw. Sollstrom zumindest einer Batterie individuell zu bestimmen, so dass insbesondere mehrere Batterien gleichzeitig effizient geladen werden können. Eine weitere Effizienzsteigerung wird ferner dadurch erreicht, dass mittels der Steuereinheit die Wandlereinrichtung effizient in Betrieb genommen werden kann. Die erfindungsgemäße Idee ist sowohl für ein gleichzeitiges Laden als auch für serielles Laden geeignet, wobei für gleichzeitiges Laden zusätzliche Schaltungsmaßnahmen mittels der Schalteinrichtungen vorgesehen sind.
Das Laden mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann unabhängig von der Tageszeit erfolgen, da kein Einfluss auf die Belastung des öffentlichen Stromnetzes besteht, also beispielsweise Laden beim Parken, bei Nacht, beim Einkäufen, beim Arbeiten etc.. Die erforderliche Elektronik in der Energieversorgungsstation kann wesentlich kleiner ausgelegt werden und damit kostengünstiger. Ein gleichzeitiges
Laden der zumindest einen Batterie - beispielsweise einer Elektrokraftfahrzeugbatterie - ist insbesondere in Abhängigkeit von der Netzauslastung möglich.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind durch die Steuereinheit
Ladeparameter der zumindest einem Batterie erfassbar und in Abhängigkeit der erfassten Ladeparameter ist der Ladestrom aus der Wandlereinrichtung
individuell für die zumindest eine Batterie bestimmbar. Unter Ladeparameter können insbesondere eine Soll-Ladestrom und Ist-Ladestrom bzw. Soll- Spannung und Ist-Spannung der zumindest einen Batterie bzw. der jeweiligen
Batterie verstanden werden. Dies ermöglicht ein kostengünstiges Betreiben der Vorrichtung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Ladestrom kleiner gleich einem optimalen Maximalstrom der Wandlereinrichtung oder ist kleiner gleich einem optimalen Betriebsstrom der Wandlereinrichtung oder ist kleiner gleich Oflit
Figure imgf000005_0001
x=[1 ,....,n], wobei n: Anzahl der angeschlossenen Batterien, li_ade-max: detektierter maximal zulässiger Ladestrom gemessen durch die Steuereinheit, und lwandier:
Ladestrom bzw. Ausgangsstrom der Wandlereinrichtung.
Dies ermöglicht ein optimales Betreiben der Wandlereinrichtung.
Das heißt, dass die Steuereinheit insbesondere sowohl mit der Wandlereinrichtung als auch mit der zumindest einen Batterie kommuniziert, um einen maximalen Ladestrom für die zumindest eine Batterie zu bestimmen. Zum Bestimmen bzw. Erfassen des Ladezustandes der zumindest einen Batterie kann die Steuereinheit insbesondere mit einem Batteriemanagementsystem oder eine Batteriekontrolleinheit der zumindest einen Batterie kommunizieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Kommunikation zwischen der Wandlereinrichtung und der Steuereinheit kabellos bzw. drahtlos durchführbar.
Dies reduziert Kabelbäume und somit Kosten und Gewicht. Ferner ist denkbar, dass auch eine Kommunikation zwischen der Steuereinheit und der zumindest einen Batterie drahtlos bzw. kabellos durchführbar ist. Beispiele für drahtlose Kommunikation sind insbesondere LAN-Kommunikation, beispielsweise CAN, sowie W-LAN
Kommunikation. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Wandlereinrichtung ausgangsseitig mit dem ersten Anschluss und im zweiten Anschluss und
eingangsseitig mit einem Energieversorgungsnetz verbindbar. Das
Energieversorgungsnetz kann sowohl ein Wechselspannungsnetz als auch ein Gleichspannungsnetz sein, wobei im Falle eines Wechselspannungsnetzes eine Transformatoreinrichtung zum Gleichrichten des Ladestromes erforderlich sein kann. Die Wandlereinrichtung liefert ausgangsseitig Gleichspannung. Die Wandlereinrichtung kann beispielsweise ein AC/DC-Wandler, DC/DC-Wandler, oder eine Kombination von mehreren Wandler, beispielsweise ein Ladegerät, sein. Liegt die Wandlereinrichtung in Form des DC/DC-Wandlers vor, kann eine Versorgung des DC/DC-Wandlers sowohl durch eine AC/DC-Stufe als auch durch Gleichspannungsquellen, beispielsweise Batterie, Brennstoffzelle, PV-Anlage etc., sowie durch ein Gleichspannungsnetz erfolgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vor der ersten
Schalteinrichtung des zumindest einen zweipoligen Ladeanschlusses eine Diode angeordnet. Dies ermöglicht ein gleichzeitiges Laden mehrerer Batterien und eine sichere Inbetriebnahme des Ladevorgangs.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist nach der ersten
Schalteinrichtung des zumindest einen zweipoligen Ladeanschlusses eine Diode angeordnet.
Dies ermöglicht ein gleichzeitiges Laden mehrerer Batterien und eine sichere
Inbetriebnahme des Ladevorgangs.
Zusätzlich können Kondensatoren vor oder nach der Schalteinrichtung des zumindest einen zweipoligen Ladeanschlusses angeordnet sein. Dies ermöglicht ein effizientes Laden der zumindest einen Batterie.
Die hier beschriebenen Dioden können insbesondere durch einen elektronischen Schalter, beispielsweise einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, Metall- Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor etc. ersetzt werden, insbesondere bei einer Rückspeisung der zumindest einen Batterie in Richtung der Wandlereinrichtung bzw. in das Energieversorgungsnetz. Optional können die Dioden in einem Fahrzeug integrierbar sein oder alternativ können auch vorhandene Dioden im Fahrzeug, beispielsweise Inverter-Dioden, eingesetzt werden. Somit lassen sich die Dioden in der Energieversorgungseinrichtung einfach ersetzen.
Alternativ können die Schalteinrichtungen und/oder Dioden in einer Ladesäule integrierbar sein bzw. zentral verbaut sein und lassen sich durch eine entsprechende Verkabelung mit dem zumindest einen zweipoligen Ladeanschluss verschalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die
Energieversorgungseinrichtung in die Wandlereinrichtung integrierbar. Dies erhöht die Kompaktheit. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit in die Wandlereinrichtung integrierbar. Dies erhöht die Kompaktheit.
Die hier erläuterten Merkmale hinsichtlich der Vorrichtung gelten auch für das
Verfahren sowie umgekehrt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen: FIG. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum
Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
FIG. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum
Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
FIG. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum
Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; FIG. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
FIG. 5 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betreiben der Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und FIG. 6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung exemplarischer
Spannungs- und Stromverläufe von beispielsweise drei Batterien
während eines Ladevorgangs.
In den Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit denselben
Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
FIG. 1 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 20 eine Wandlereinrichtung der Vorrichtung 100, die einen ersten Anschluss E1 und einen zweiten Anschluss E2 umfasst. Die
Wandlereinrichtung 20 kann mit einem Energieversorgungsnetz V, welches optional ein Energiemanagementsystem umfasst, verbindbar sein. Ausgangsseitig kann die Wandlereinrichtung 20 mit dem ersten Anschluss E1 und dem zweite Anschluss E2 verbindbar sein bzw. können ausgangsseitig der erste Anschluss E1 und der zweite Anschluss E2 an der Wandlereinrichtung 20 angeordnet sein.
Die Vorrichtung 100 umfasst ferner eine Energieversorgungseinrichtung EV, die eine Steuereinheit 30 und zumindest einen zweipoligen Ladeanschluss Ln mit einem ersten Ladeanschluss 1 und einem zweiten Ladeanschluss 2 umfasst, wobei die
Energieversorgungseinrichtung EV an die Wandlereinrichtung 20 mittels des ersten Anschlusses E1 über eine erste Schalteinrichtung S1 mit dem ersten Ladeanschluss 1 und/oder mittels des zweiten Anschlusses E2 über eine zweite Schalteinrichtung S2 mit dem zweiten Ladeanschluss 2 des zumindest einen zweipoligen Ladeanschlusses Ln elektrisch anschließbar ist. Die erste und/oder zweite Schalteinrichtung S1 , S2 kann beispielsweise eine Ladeschütze sein.
Obwohl in den Ausführungsformen zwei Schalteinrichtungen S1 , S2 dargestellt sind, kann eine Funktion auf die erste Schalteinrichtung S1 oder die zweite Schalteinrichtung S2 basieren. Das heißt, es ist entweder die erste Schalteinrichtung S1 oder die zweite Schalteinrichtung S2 vorhanden, wobei alternativ auch beide Schalteinrichtungen S1 , S2 verbaut sein können.
Durch die Steuereinheit 30 der Energieversorgungseinrichtung EV ist ein Ladezustand der zumindest einen Batterie Bn erfassbar und der Ladestrom aus der
Wandlereinrichtung 20 an dem ersten Anschluss E1 und dem zweiten Anschluss E2 für die zumindest eine Batterie Bn ist jeweils basierend auf dem erfassten Ladezustand der zumindest einen Batterie Bn bestimmbar und die erste Schalteinrichtung S1 und/oder die zweite Schalteinrichtung S2 des zumindest einen zweipoligen
Ladeanschlusses Ln zum Laden der zumindest einen Batterie Bn sind jeweils durch die Steuereinheit 30 ansteuerbar.
Beispielsweise sind durch die Steuereinheit 30 Ladeparameter der zumindest einen Batterie Bn erfassbar und in Abhängigkeit der erfassten Ladeparameter ist der
Ladestrom aus der Wandlereinrichtung 20 individuell für die zumindest eine Batterie Bn bestimmbar. Hierbei kann insbesondere ein Maximalstrom der Wandlereinrichtung 20 beim Bestimmen des Ladestroms durch die Steuereinheit 30 berücksichtigt werden. Unter Ladeparameter können insbesondere eine Soll-Ladestrom und Ist-Ladestrom bzw. Soll-Spannung und Ist-Spannung der zumindest einen Batterie bzw. der jeweiligen Batterie verstanden werden, wobei ein Abgleich der Soll-bzw. Ist-Werte durch die Steuereinheit erfolgt. Das heißt, dass die Steuereinheit 30 insbesondere sowohl mit der Wandlereinrichtung 20 als auch mit der zumindest einen Batterie Bn und optional zusätzlich mit dem Energiemanagementsystem des
Energieversorgungsnetzes V kommunizieren kann, um einen maximalen Ladestrom für die zumindest eine Batterie zu bestimmen. Das heißt, dass die Steuereinheit 30 sowohl mit der Wandlereinrichtung 20 als auch mit der zumindest einen Batterie Bn kommuniziert, um insbesondere einen maximalen Ladestrom für die zumindest eine Batterie Bn zu bestimmen. Die Kommunikation zwischen der Steuereinheit 30 und der Wandlereinrichtung 20 kann drahtlos bzw. kabellos erfolgen. Denkbar ist auch eine drahtlose bzw. kabellose Kommunikation zwischen der Steuereinheit 30 und der zumindest einen Batterie Bn.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die zweite Ausführungsform basiert auf der ersten Ausführungsform gemäß Fig.1 mit dem Unterschied, dass vor der ersten Schalteinrichtung S1 , beispielsweise eine Ladeschütze, des zumindest einen zweipoligen Ladeanschlusses Ln eine Diode Dn angeordnet ist. Die Diode Dn kann beispielsweise eine Speerdiode sein.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die dritte Ausführungsform basiert auf der ersten Ausführungsform gemäß Fig.1 mit dem Unterschied, dass nach der ersten Schalteinrichtung S1 , beispielsweise eine Ladeschütze, des zumindest einen zweipoligen Ladeanschlusses Ln eine Diode Dn angeordnet ist. Das heißt, dass in der dritten Ausführungsform die Diode Dn zwischen der Schaltereinrichtung S1 und dem ersten Ladeanschluss 1 des jeweiligen zweipoligen Ladeanschlusses L1 , L2 bzw. Ln angeordnet ist. Die Diode Dn kann beispielsweise eine Speerdiode sein. Fig. 4 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der vierten Ausführungsform ist die Energieversorgungseinrichtung mit
Bezugszeichen EV' bezeichnet. Im Unterschied zur zweiten Ausführungsform (siehe Fig. 2), auf welcher die vierte Ausführungsform basiert, ist die Steuereinheit 30 in die Wandlereinrichtung 20 integriert. Ferner ist denkbar, dass die
Energieversorgungseinrichtung EV in die Wandlereinrichtung 20 integrierbar ist (nicht gezeigt).
Fig. 5 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betreiben der Vorrichtung gemäß den hier erläuterten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung.
Das Verfahren 300 zum Betreiben der Vorrichtung 100 umfasst die Schritte 310, 320, 330 und 340.
Im Schritt 310 des Verfahrens 300 wird durch die Steuereinheit 30 der Ladezustand der zumindest einen elektrisch angeschlossenen Batterie Bn erfasst.
Im Schritt 320 des Verfahrens 300 wird durch die Steuereinheit 30 der Ladestrom in Abhängigkeit des erfassten Ladezustandes bestimmt.
Im Schritt 330 des Verfahrens 300 wird durch die Steuereinheit 30 die erste
Schaltereinrichtung S1 und/oder die zweite Schaltereinrichtung S2 in Abhängigkeit des erfassten Ladezustandes der zumindest einen Batterie Bn gesteuert und im Schritt 340 wird die zumindest eine Batterie Bn mit den jeweils ermittelten Ladeströmen geladen.
Es versteht sich von selbst, dass die Schritte 320 und 330 des Verfahrens 300 wiederholend durchgeführt werden können, wobei eine die hier dargestellte
Reihenfolge nicht zwingend eingehalten werden muss.
Die Steuereinheit 30 kommuniziert hierbei jeweils mit der Wandlereinrichtung 20 sowie mit dem ermittelten Ladezustand der zumindest einen Batterie Bn.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung exemplarischer Spannungs- und Stromverläufe von beispielsweise drei Batterien während eines Ladevorgangs. In der graphischen Darstellung der Fig.6 sind auf der X-Achse Ladungsschritte 0 bis 10 und auf der Y-Achse die Stromstärke in Ampere bzw. die Spannung in Volt
aufgetragen.
Bei der graphischen Darstellung ist die Wandlereinrichtung für einen maximalen Strom l_Wandler_max von 70 A ausgelegt, wobei drei Batterien, insbesondere drei
Elektrokraftfahrzeugbatterien, zum Laden durch die hier beschriebene Vorrichtung vorgesehen sind . Hierbei weist die erste Batterie eine Spannung U1 von 60 V und einen maximalen Strom I1_max von 21 A auf. Die zweite Batterie eine Spannung U2 von 80 V und einen maximalen Strom I2_max von 23 A auf. Die dritte Batterie weist eine Spannung U3 von 100 V und einen maximalen Strom I3_max von 31 A auf.
Zwischen dem Ladungsschritt 0 bis 1 sind alle Schalteinrichtungen der drei zweipoligen Ladeanschlüsse offen und ein Sollstrom l_Wandler der Wandlereinrichtung ist Null. Im Ladungsschritt 1 werden die Schalteinrichtungen des ersten zweipoligen
Ladeanschlusses in Bezug auf die erste Batterie geschlossen, da diese mit 60 V die niedrigste Spannung aufweist. Während der Ladungsschritte 1 bis 2 steigt der
Sollstrom l_Wandler der Wandlereinrichtung linear von Null auf die maximale
Stromstärke I1_max der ersten Batterie an, hier ca. 20 A.
Während der Ladungsschritte 2 bis 3 wird die erste Batterie mit 20 A geladen während die Spannung U1 von 60 V bis kurz vor 80 V - Spannung U2 der zweiten Batterie - steigt. Anschließend werden die Schalteinrichtungen des zweiten zweipoligen
Ladeanschlusses in Bezug auf die zweite Batterie geschlossen. Hierbei wird mittels der Steuereinheit geprüft, ob der aktuelle Strom l_Wandler der Wandlereinrichtung - hier 20 A - größer oder kleiner als der maximale Strom I2_max der zweiten Batterie - hier 23 A - ist. Der Ladestrom l_Wandler bleibt bei ca. 20 A geregelt, da der maximale Strom I2_max der zweiten Batterie kleiner ist als der maximale Strom l_Wandler_max der Wandlereinrichtung, welche 70 A beträgt. Somit steigt die Spannung LH der ersten Batterie weiter bis beide Batteriespannungen LH , U2 gleich sind.
Während der Ladungsschritte 3 bis 4 werden die erste und zweite Batterie parallel geladen. Der Strom l_Wandler der Wandlereinrichtung beträgt hierbei weiterhin ca. 20 A. Das heißt, die Ladeströme 11 , 12 der ersten und zweiten Batterie sind deutlich unter dem maximalen Stromwert l_Wandler_max.
Während der Ladungsschritte 4 bis 5 wird der Strom l_Wandler der Wandlereinrichtung weiter langsam und linear erhöht, bis mindestens eine Batterie, beispielsweise die erste Batterie, ihren maximalen Stromwert I1_max erreicht hat.
Während der Ladungsschritte 5 bis 6 werden die erste und die zweite Batterie weiterhin bis auf ca. 99 V parallel geladen. Das heißt, bis kurz Erreichen der nächsten Batteriespannung U3 der dritten Batterie.
Während der Ladungsschritte 6 bis 7 wird der Strom l_Wandler der Wandlereinrichtung auf den maximalen Strom I3_max der dritten Batterie bis ca. 30 A geregelt bzw.
bestimmt. Es erfolgt ein Laden bis die Spannung U3 von ca. 100 V erreicht wird. Das heißt, die Spannungen U 1 , U2, U3 der drei Batterien sind gleich.
Während der Ladungsschritte 7 bis 8 werden die drei Batterien parallel geladen. Der Strom l_Wandler der Wandlereinrichtung beträgt hierbei ca. 30 A. Das heißt, die Ladeströme 11 , I2, I3 der drei Batterien sind deutlich unter dem maximalen Stromwert l_Wandler_max.
Während der Ladungsschritte 8 bis 9 wird der Strom l_Wandler der Wandlereinrichtung weiter langsam und linear erhöht, bis mindestens eine Batterie, beispielsweise die dritte Batterie, ihren maximalen Stromwert I3_max erreicht hat.
Während der letzten Ladungsschritte 9 bis 10 werden die drei Batterien parallel geladen bis diese vollständig geladen sind.
Die hier beschriebene Vorrichtung kann mit allen Wandler-Schaltungskonzepten kombiniert werden.
Die hier beschriebene Energieversorgungseinrichtung kann an einer stationären Ladesäule oder in Form eines mobilen Adapters bereitstellbar sein.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (100) zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie (Bn; B1 , B2), insbesondere für eine Elektrokraftfahrzeugbatterie, mit: einer Wandlereinrichtung (20), die einen ersten Anschluss (E1) und einen zweiten Anschluss (E2) umfasst; und einer Energieversorgungseinrichtung (EV; EV'), die eine Steuereinheit (30) und zumindest einen zweipoligen Ladeanschluss (Ln; L1 , L2) mit einem ersten
Ladeanschluss (1) und einem zweiten Ladeanschluss (2) umfasst, wobei die Energieversorgungseinrichtung (EV; EV') an die Wandlereinrichtung (20) mittels des ersten Anschlusses (E1) über eine erste Schalteinrichtung (S1) mit dem ersten Ladeanschluss (1) und/oder mittels des zweiten Anschlusses (E2) über eine zweite Schalteinrichtung (S2) mit dem zweiten Ladeanschluss (2) des zumindest einen zweipoligen Ladeanschlusses (Ln; L1 , L2) elektrisch anschließbar ist; wobei durch die Steuereinheit (30) ein Ladezustand der zumindest einen Batterie (Bn; B1 , B2) erfassbar ist und der Ladestrom aus der Wandlereinrichtung (20) an dem ersten Anschluss (E1) und dem zweiten Anschluss (E2) für die zumindest eine Batterie (Bn; B1 , B2) basierend auf dem erfassten Ladezustand der zumindest einen Batterie (Bn; B1 , B2) bestimmbar ist; und die erste Schalteinrichtung (S1) und/oder die zweite Schalteinrichtung (S2) des zumindest einen zweipoligen Ladeanschlusses (Ln; L1 , L2) zum Laden der zumindest einen Batterie (Bn; B1 , B2) durch die Steuereinheit (30) ansteuerbar sind.
2. Vorrichtung (100) zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie (Bn; B1 , B2) nach Anspruch 1 , wobei durch die Steuereinheit (30) Ladeparameter der zumindest einen Batterie (Bn; B1 , B2) erfassbar sind und in Abhängigkeit der erfassten Ladeparameter der Ladestrom aus der Wandlereinrichtung (20) individuell für die zumindest eine Batterie (Bn; B1 , B2) bestimmbar ist.
3. Vorrichtung (100) zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie (Bn; B1 , B2) nach Anspruch 1 , wobei der Ladestrom kleiner gleich einem
Maximalstrom der Wandlereinrichtung (20) ist oder kleiner gleich einem optimalen Betriebsstrom der Wandlereinrichtung (20) ist oder kleiner gleich
Figure imgf000015_0001
x=[1 ,....,n], wobei n: Anzahl der angeschlossenen Batterien, li_ade-max: detektierter maximal zulässiger Ladestrom gemessen durch die Steuereinheit, und lwandier:
Ladestrom der Wandlereinrichtung ist.
4. Vorrichtung (100) zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie (Bn; B1 , B2) nach Anspruch 1 , wobei eine Kommunikation zwischen der
Wandlereinrichtung (20) und der Steuereinheit (30) kabellos durchführbar ist.
5. Vorrichtung (100) zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie (Bn; B1 , B2) nach Anspruch 1 , wobei die Wandlereinrichtung (20) ausgangsseitig mit dem ersten Anschluss (E1) und dem zweiten Anschluss (E2) und eingangsseitig mit einem Energieversorgungsnetz (V) verbindbar ist.
6. Vorrichtung (100) zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie (Bn; B1 , B2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor der ersten Schalteinrichtung (S1) des zumindest einen zweipoligen Ladeanschlusses (Ln; L1 , L2) eine Diode (Dn; D1 , D2) angeordnet ist.
7. Vorrichtung (100) zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie (Bn; B1 , B2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach der ersten Schalteinrichtung (S1) des zumindest einen zweipoligen Ladeanschlusses (Ln; L1 , L2) eine Diode (Dn; D1 , D2) angeordnet ist.
8. Vorrichtung (100) zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie (Bn; B1 , B2) nach Anspruch 1 , wobei die Energieversorgungseinrichtung (EV; EV') in die Wandlereinrichtung (20) integrierbar ist.
9. Vorrichtung (100) zum Bereitstellen eines Ladestroms für zumindest eine Batterie (Bn; B1 , B2) nach Anspruch 1 , wobei die Steuereinheit (30) in die Wandlereinrichtung (20) integrierbar ist.
10. Verfahren (300) zum Betreiben der Vorrichtung nach Anspruch 1 mit den Schritten:
Erfassen (310) des Ladezustandes der zumindest einen elektrisch angeschlossenen Batterie (Bn; B1 , B2) durch die Steuereinheit (30); Bestimmen (320) des Ladestromes in Abhängigkeit des erfassten Ladezustandes durch die Steuereinheit (30);
Steuern (330) der ersten Schalteinrichtung (S1) und/oder der zweiten Schalteinrichtung (S2) in Abhängigkeit des erfassten Ladezustandes der zumindest einen Batterie (Bn; B1 , B2) durch die Steuereinheit (30); und
Laden (340) der zumindest einen Batterie (Bn; B1 , B2) mit den jeweils ermittelten Ladeströmen.
PCT/EP2019/061663 2018-05-09 2019-05-07 Vorrichtung zum bereitstellen eines ladestromes für zumindest eine batterie und verfahren zum betreiben derselben WO2019215137A1 (de)

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